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    國際電工技術委員會（IEC）從1985年開始著手制訂國際性的智能化現場設備和自動化控制設備之間的通信標準，并命名為“Field-bus”現場總線。主要現場總線標準是由IEC的TC65技術委員會產生的[1]。1994年，ISP（Interoperable System Project）和World FIP（Factory Instrumentation Protocol）兩大集團成立了現場總線基金會（FF-Field-bus Foundation），聯合開發研制現場總線的工作，并制訂出FF協議。鑒于現場總線的國際標準在短期內還難于統一，美國的羅斯蒙特（Rosemount）公司提出了臨時標準HART（Highway Addressable Remote Transducer，高速可尋址遠程傳感器）協議。由于HART協議采用的方法是在模擬信號上疊加了FSK（頻移鍵控）數字信號，模擬和數字通訊可以同時進行。這就保證了4～20 mA模擬系統與數字通訊系統可以兼容，可以在一根雙絞線上連接多臺現場設備，以構成多站網絡。HART協議目前已被認為是事實上的工業標準。

    1、FCS在核電站中的發展

    自Foxboro公司上個世紀80年代推出I/A Series系統以來，90年代是FCS發展階段。1991年美國Echelon公司推出具有全分布式智能控制網絡的Lon Works系統，但只是在非核領域里的應用。隨著FCS技術的成熟，幾個代表國際先進的自動控制系統公司紛紛推出新一代核電站自動控制系統：由ABB-CE公司推出先進的80+系統應用在1300 MW核電機組上。ABB-CE公司的80+系統1997年5月獲得美國核管會（USNRC）第二次的批準，有效期15年[2]。美國西屋公司1995年已成功地運用在捷克的Temelin核電站上，這是俄羅斯的VVER型核電機組，因原來控制系統比較落后，經改造，由西屋公司最近一代的數字化集成控制系統替代[3]。日本日立公司NUCAMM-90系統是世界上首次應用在1350 MW ABWR（先進的沸水堆）上，首批2臺機組（柏崎刈羽6號、7號）分別于1996年和1997年在日本投入商業運行[4]。法國法馬通公司的1450 MW Civaux-1和Civaux-2機組是新一代壓水堆核電站，采用了Sama公司N4控制系統，1999年兩臺機組相繼投入商運。還有Emerson公司推出Plantweb（叫做Emerson Process Management）系統。進入21世紀，Foxboro公司2003年推出兩套新的現場總線模式I/A Series系列（ZCP270、FCP270）的自動控制系統；日本橫河公司（YOKOGAWA）推出了CS3000 R3系統。這些新的現場總線控制系統會帶來更安全、更可靠的核電站。

    近幾年國內FCS生產廠家（如：浙大中控、上海新華、北京和利時等[5]）經過十幾年的努力，使國產FCS領域得到了發展。由國家支持的工業控制技術國家重點實驗室已于1995年10月正式對外開放，在現場總線控制系統基礎關鍵技術研究方面解決了現場總線信號的超遠距離傳輸技術、低功耗技術、軟件調制解調技術、網絡模糊測試評估技術、無沖擊帶電插拔技術、自適應脈沖輸入技術、網絡化系統集成技術、DCS任意冗余技術，打破了國外產品壟斷國內市場的局面[6]。可以說用戶需求拉動了FCS發展，相關技術的成熟發展提高了FCS質量可靠性，而當代網絡技術、數據庫技術、現場總線技術的發展為開放系統提供了可能，具備系統性、全面性、實時性和準確性，使企業的效益和效率要求進一步提高。

    秦山一期核電站是中國自行設計、建造的第一座30萬kW核電站，1994年投入商業運營。儀表和控制（I&C）設備是采用模擬量組合單元儀表為主的控制系統。 田灣核電站是我國第一個全面（常規島和核島）采用數字化儀控系統的核電廠，使用了西門子全數字化儀控系統[7]。

    2、FCS介紹

    核電站的設備可分為四大部分：核島設備，常規島設備，BOP（Balance of Plant――電廠配套系統）設備，儀表和控制（I&C）設備。隨著數字技術的發展，核電站的各類設備向技術更先進、工藝更完善、更可靠、更安全的方向發展，尤其是儀表和控制系統的技術發展最快。

    核電站儀表和控制系統技術的發展大致分三個過程：由以模擬量組合單元儀表為主的主控制系統，以模擬量和數字量混合運用為主的主控制系統，以集成全數字式為主的主控制系統。

    FCS是由DCS（Distributed Control System――分布式控制系統）和PLC（可編程邏輯控制）發展而來的，現場總線是從簡單的I/O總線逐步到網絡形式的總線結構，所以FCS具備PLC和DCS的所有特點。FCS與DCS的區別就在于現場總線，即FCS以網絡形式的總線結構標準化，這也是核心所在。國內有人把FCS稱為第四代DCS[8]。現場總線標準化的應用實現了儀控系統的開放性，實現了現場處理信息、管理信息的可行性。

    FCS的主要特征：混合控制功能（離散控制、過程控制都有），數字智能現場裝置，應用現場總線技術，信息化和集成化，開放型平臺與信息處理現場化。

    FCS從結構上劃分，包括控制層、監控層和管理層。控制層主要由過程控制站、I/O單元和智能現場儀表組成，是控制核電站設備功能的主要實施部分。監控層包括：操作員站和工程師站，完成系統的操作和組態。管理層主要是指經營管理部門通過網絡可以看到主控的主要實時信息，了解核電站運行情況，但不能操作。這是FCS作為更高層次的管理應用之一。

    CS的主要技術特點有：全數字智能化、多功能、標準信號取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置；用兩根線聯接分散的現場儀表、控制裝置、控制中心取代每臺儀器兩根線；多變量、多節點、串行數字通信系統取代單變量、單點、模擬系統；互聯的、雙向的、開放的取代單向的、封閉的；用分散的虛擬控制站取代集中的控制站；通過工業以太網（Ethernet）可以上掛、下聯計算機；在保證安全的前提下局域網可與internet相通；執行通信標準TCP/IP協議和自動化技術的工業標準（如IEC國際電工委員會、ISO國際標準化組織、IEEE電子與電氣工程師協會等國際標準）。

    2.1 FCS硬件

    FCS硬件主要包括：大量的現場儀表（傳感器、變送器等），采用嵌入式技術的智能的單元控制部件（PLC、調節器），這些稱為控制層，還有工業以太網、計算機控制中心、報表工作站、打印工作站等。智能儀控器包括自補償、自校正、自診斷、遠程設定、狀態組合、信息存儲和記憶等功能。智能儀控器的標準化打破壟斷，推動了市場競爭。

    為了確保核電站安全、儀控系統的可靠，冗余技術在FCS里到處可見。變送器、單元控制器、CPU、工業以太網、控制單元、服務器等設備都要采取冗余。為了減少共因，冗余設計中經常采用不同的設備實現相同的功能。

    2.2 FCS軟件

    軟件冗余也是提高可靠性的一種方法。它有兩種方法：一種是帶有智能控制設備的冗余，軟件自然也就是冗余的；另一種是開發兩套功能相同的軟件，用在智能控制設備上。但開發這樣的軟件要成立兩個不同的項目組，而且他們之間不能有任何交流。在這樣的軟件中相同缺陷的概率是很小的，共因失效的概率也是很小的。但這樣的開發成本是昂貴的。在智能控制設備里，由于嵌入式系統中程序代碼的大小受到限制，所以不能用高級語言。只能用匯編或C語言編程。
 
    對于用戶來說人機界面軟件是看得見的，也是最關心的。人機界面有三種組態：靜態、動態和交互式。靜態是屏幕上畫的模擬圖，如泵、罐子和管線等不變化的圖文。動態是屏幕上顯示的實時變化數據，如實時采集到的溫度、流量、功率和壓力等數據。交互式界面是操縱員可在屏幕上對某個設備進行控制操作，如需要啟動或停運一個泵時選擇該泵圖上的ON或OFF，確定后即可實施，并用圖的形狀或顏色顯示區別泵的啟動或停運。

    在監控室（即監控層）里，用CRT和大屏幕替代模擬儀表控制時代的儀表盤和儀表墻功能。監控層的操縱員在監控室也可以設定智能控制器的預值，操縱員再也不用擺弄開關、按鈕了，用鼠標、鍵盤就可以控制核電站。

    2.3 FCS網絡

    FCS網絡體系結構是采用多域管理方式。每一個域有一個獨立的FCS。各個域之間可以通過標準協議進行數據交換。而且每個域的規模可以擴大。

    FCS中的網絡系統采用工業以太網技術。從單元控制器輸出的數據可通過以太網傳送到不同的服務器上。工業以太網與普通以太網有些不同，主要有工業以太網使用工作溫度范圍較寬、封裝牢固(抗振和防沖擊)、導軌安裝、電源冗余、直流24 V供電等。它們同樣符合IEEE802.3標準。

    FCS之所以是開放性的，因為現場總線有標準協議。雖然現場總線標準協議有多種，但每一個標準都有自己更適合的應用領域，所以多種現場總線標準得以并存是客觀需要。對于核電站適合采用哪種現場總線標準，應該借鑒國外的經驗。

    FCS的管理層是通過網絡，使核電站的高層管理人員可以了解核電站的運行情況和指標。

    3、FCS在核電站中的應用

    核電站應用FCS可提高儀控系統的可靠性，安全性；提高電站的經濟效益，減少運行、維修費用；有利于設計、維修和備品備件的管理；提高了工作效率和管理水平。

    FCS應用到核電站領域的好處是顯而易見的。而且還有一個更有意義、更長遠的應用就是自動采集各類數據。它通過系統提供的硬件和軟件，使過去認為雜亂無章的數據，存入到設備可靠性數據庫。曾經有一位外國廠長說過：核電站不僅生產電，而且生產數據。這就給核電站提出更深層次的管理和應用問題。過去核電站各類數據都記錄在操縱員日志和各種試驗報告中，那是紙制記錄。有的是用磁帶記錄，但必須用專門的讀取設備，讀出的數據都是用各種編碼代替設備，很難讀懂。有的核電站（如：中國實驗快堆）數據將以文本格式存儲，讀取方便是個進步，但不是數據庫形式，無法對各類數據進行統計和分析。要想把各類數據變為有用數據，這項工作即耗時又耗錢。有了FCS，在軟件上可以作到所有數據以數據庫形式保存在幾個服務器上，定期刻成光盤保存。為各類數據統計和分析提供了前提條件，這就是深層次的管理和應用的基礎。

    在1980－1990年期間，PSA在美國核電站應用中已經完成單站考驗（IPEs-Individual Plant Examinations）過程[9]。Risk-informed technology（風險指引技術）使PSA在核電站安全方面的應用進入了新領域[10]，這與計算機網絡在核電站的應用是分不開的。 設備可靠性數據庫是建立在大量的核電站運行數據之上的。概率安全分析（PSA）、Risk inform又是建立在設備可靠性數據庫之上的。FCS在核電站應用之前，法國EDF設備可靠性數據庫已經有了幾百堆年的設備可靠性數據，它已成為法國堆型的設備可靠性通用數據庫。大亞灣核電站2001年以前的設備可靠性數據采集工作是手工完成的，設備可靠性參數統計方法中的運行失效率、需求失效概率[11]還是單機計算。核電站有了FCS，設備可靠性參數統計方法中的運行失效率、需求失效概率，以及始發事件計算將從人工統計計算進入到自動統計計算。如果一個設備失效，或對某一列進行隔離，管理部門通過安裝在FCS管理層中的概率安全分析計算軟件就可以很快地給出維修該設備會有多大的堆芯損傷頻率，維修該設備是否對機組安全運行有影響，是否需要降功率，在什么工況下維修該設備既安全又經濟，為決策人員提供參考依據，這就大大提高了工作效率和管理水平。

    4、結束語

    目前，在國外，FCS在火電廠、化工廠、核電站等大型企業的儀控領域里得到了廣泛的應用。而在國內，FCS在核電站的應用剛剛開始。FCS的應用將使核電站的安裝、調試、維護更為方便，也對儀控維修技術提出了更新的要求，使設備可靠性數據采集方法、概率安全分析、風險指引技術、實時管理等產生根本的變化。為實現科學的全數字化管理核電站提供基本保證。 

    參考文獻

    [1] Wood, Graeme. Field-bus status 1995, Computing Control Engineering Journal. Dec. 1995

    [2] James M. Taylor. CERTIFICATION OF TWO EVOLUTIONARY DESIGNS，SECY-96-077 (U.S. Nuclear Regulatory Commission) , April 15, 1996

    [3] Mary-Ellen Foley. Czech Nuclear Plan and Environment and Economic Comparisons. TED Case Studies, Volume 4, Number 2, June, 1995

    [4] Hitachis ABWR